利用天然气管道全尺寸爆破试验计算管道止裂韧性的方法与流程

本发明属于管道危害防护领域，涉及一种利用天然气管道全尺寸爆破试验计算管道止裂韧性的方法。

背景技术：

天然气管道在服役过程中，由于腐蚀、地质灾害、产品质量缺陷等因素在一定条件下形成局部金属缺失，造成管道泄露。天然气管道泄漏后由于管内高压的作用，气体大量从泄漏点散出，同时在泄漏位置会发生裂纹的扩展。动态延性裂纹的长程扩展，是高压天然气管道的重要失效模式之一，严重时裂纹扩展长达数公里，会造成严重的经济损失和影响。因此，如何准确的预测管道延性裂纹扩展和止裂，制订合理的延性断裂控制指标是管线设计、服役安全中的关键技术问题。

天然气管道的全尺寸爆破试验是研究管道断裂行为的重要方法之一。试验中通过铺设一定长度的天然气管线(通常试验管线为130m，两端各有储气管线150m，管道外径为1219mm或1422mm)并注入天然气(运行压力为12mpa或13.3mpa)来模拟实际的管道运行，管线中部利用聚能切割器预制裂纹，在内压的作用下裂纹发生扩展，通过研究管道在断裂过程中的天然气减压特性以及钢管的断裂止裂行为，可确定天然气管道依靠自身止裂的韧性指标及管道的爆炸危害范围，具有重要的研究意义和价值。

管道的裂纹扩展行为是管道内压与管材裂纹扩展抗力的相互作用结果。若管道的断裂速度大于减压波速，即裂尖总处以减压波前端，此时裂尖所受压力为管道运行压力，裂纹具有较大的驱动力，会继续发生扩展。若断裂速度小于减压波速，裂尖所受压力小于管道内压，裂尖驱动力降低，则会发生止裂。通过比较裂纹扩展速度和减压波速度的大小则可得到裂纹止裂的判据。对于天然气管道延性断裂指标计算而言，双曲线法是通过获得气体的压力-减压波速以及钢管材料的压力-断裂速度之间的关系，建立压力曲线-速度(btc双曲线)，最终获得断裂临界条件(管道材料的裂纹扩展阻力)，因此如何准确的获得减压波特性(压力-减压波速曲线)、获得管道的裂纹扩展抗力是研究管道断裂控制技术的关键。

传统方法通过小型爆破试验、激波管放空试验以及理想气体计算的方法获得气体减压波特性。小型爆破试验中由于管道较短(通常为1-3根钢管)，存气量较小，减压波行为与实际管线相差较大。激波管放空试验中试验管径较小，泄压过程也与实际管线有一定差异。利用理想气体方程计算中假设整个过程是绝热的，与实际情况也不相符合。利用上述方法获得的压力-减压波速曲线所确定的临界条件会过高或过低的评判管道材料的裂纹扩展阻力，存在一定的风险和隐患。

全尺寸气体爆破试验中试验管是通过管道断裂韧性(夏比冲击功)由低到高的原则进行排列，最终确定的管道断裂韧性为扩展钢管与止裂钢管之间的数值(除启裂管外，一般为安全起见取止裂钢管的韧性数值)。目前国内生产的天然气输送管道韧性普遍较高，爆破试验中通常在启裂管边第一根试验管止裂，确定的止裂韧性数值较为保守。此外，爆破试验过程中管道的韧性(夏比冲击功)差值通常为50j，因此不能精准确定管道的止裂韧性，会造成材料的浪费和焊接难度的增加。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种利用天然气管道全尺寸爆破试验计算管道止裂韧性的方法，该方法能够精准确定天然气管道的止裂韧性。

为达到上述目的，本发明所述的利用天然气管道全尺寸爆破试验计算管道止裂韧性的方法包括以下步骤：

1)通过全尺寸气体爆破试验的减压波测试获取天然气管道的气体压力-减压波速曲线；

2)基于落锤撕裂试验的裂纹阻力方程构建天然气管道的裂纹阻力方程，绘制天然气管道的压力-裂纹扩展速度曲线；

3)将步骤1)获取的天然气管道的气体压力-减压波速曲线及步骤2)获取的天然气管道的压力-裂纹扩展速度曲线放置于同一坐标系中，然后不断改变落锤撕裂试验的能量密度rdwtt，使天然气管道的气体压力-减压波速曲线与天然气管道的压力-裂纹扩展速度曲线相切，天然气管道的气体压力-减压波速曲线与天然气管道的压力-裂纹扩展速度曲线相切时的rdwtt则为天然气管道自身止裂的临界止裂韧性能量密度。

步骤1)的具体操作为：

在天然气管道的轴向与天然气管道的母线成45°的不同位置处安装用于检测天然气管道内气体压力的压力传感器，通过压力传感器测量得到的压力数据绘制不同位置上的管道内气体压力随时间变化的p-t曲线，然后取同一压力下相邻两条p-t曲线所对应的时间，求取同一压力下相邻两条p-t曲线所对应时间的时间差，并将p-t曲线所对应压力传感器的间距除以该时间差，并将相除所得结果作为得该压力下的裂纹扩展速度，然后根据不同压力下的裂纹扩展速度绘制天然气管道的气体压力-减压波速曲线。

天然气管道的裂纹阻力方程为：

其中，pa为天然气管道的止裂压力，σf为天然气管道的流变应力，e为弹性模量，d为天然气管道的外径，t为天然气管道的壁厚，vf为裂纹扩展速度，p为气体压力，c为土壤回填参数。

天然气管道的夏比冲击功能量密度rcvn为：

rcvn＝(rdwtt-6.02)/1.76。

还包括：通过天然气管道的夏比冲击功e＝rcvn*80来预测天然气管道的止裂。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的利用天然气管道全尺寸爆破试验计算管道止裂韧性的方法在具体操作时，通过改变落锤撕裂试验的能量密度rdwtt，使天然气管道的气体压力-减压波速曲线与压力-裂纹扩展速度曲线相切，相切时的rdwtt为天然气管道止裂的临界止裂韧性能量密度，实现对天然气管道止裂韧性的精确计算，本发明原理简单，计算精度高，与传统方法相比，该方法的可靠性更高，并可显著节约管道生产及建设成本，有较好的应用价值。

附图说明

图1为本发明中减压波压力传感器环向位置示意图；

图2为本发明中压力传感器布置图；

图3为本发明中爆破试验减压波结果图；

图4为本发明中断裂韧性计算结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，利用天然气管道全尺寸爆破试验计算管道止裂韧性的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)通过全尺寸气体爆破试验的减压波测试获取天然气管道的气体压力-减压波速曲线，其中，步骤1)的具体操作为：

在天然气管道的轴向与天然气管道的母线成45°的不同位置处安装用于检测天然气管道内气体压力的压力传感器，通过压力传感器测量得到的压力数据绘制不同位置上的管道内气体压力随时间变化的p-t曲线，然后取同一压力下相邻两条p-t曲线所对应的时间，求取同一压力下相邻两条p-t曲线所对应时间的时间差，并将p-t曲线所对应压力传感器的间距除以该时间差，并将相除所得结果作为得该压力下的裂纹扩展速度，然后根据不同压力下的裂纹扩展速度绘制天然气管道的气体压力-减压波速曲线。

2)基于落锤撕裂试验的裂纹阻力方程构建天然气管道的裂纹阻力方程，绘制天然气管道的压力-裂纹扩展速度曲线，其中，天然气管道的裂纹阻力方程为：

其中，pa为天然气管道的止裂压力，σf为天然气管道的流变应力，e为弹性模量，d为天然气管道的外径，t为天然气管道的壁厚，vf为裂纹扩展速度，p为气体压力，c为土壤回填参数。

3)将步骤1)获取的天然气管道的气体压力-减压波速曲线及步骤2)获取的天然气管道的压力-裂纹扩展速度曲线放置于同一坐标系中，然后不断改变落锤撕裂试验的能量密度rdwtt，使天然气管道的气体压力-减压波速曲线与天然气管道的压力-裂纹扩展速度曲线相切，天然气管道的气体压力-减压波速曲线与天然气管道的压力-裂纹扩展速度曲线相切时的rdwtt则为天然气管道自身止裂的临界止裂韧性能量密度。

天然气管道的夏比冲击功能量rcvn为：

rcvn＝(rdwtt-6.02)/1.76。

通过天然气管道的夏比冲击功e＝rcvn*80为天然气管道的止裂韧性的预测值。

实施例一

试验钢管为外径为1422mm、壁厚为18.4mm、气体内压为13.3mpa的螺旋缝焊管，在天然气管线轴向与母线呈45°的不同位置处安装压力传感器，通过压力传感器测量试验过程中钢管内部气体压力，具体布置如图1及图2所示，记录不同位置爆破过程中的减压波压力-时间曲线，然后根据不同位置爆破过程中的减压波压力-时间曲线求得钢管的减压波压力-速度曲线，如图3所示。

2)根据钢管规格及性能参数获得不同韧性条件下管材的压力-裂纹扩展速度曲线。

其中，pa为止裂压力，σf＝590为流变应力，e＝206gpa，d＝1422mm，t＝18.4mm为钢管壁厚，c＝0.275；

3)根据减压波压力-速度曲线及压力-裂纹扩展速度曲线得e＝rcvn*80＝247.4j，如图4所示。

此次爆破试验钢管在启裂管一侧第一根钢管止裂，此钢管的止裂韧性为296j，而启裂管的止裂韧性为233j，即该工况下管线的止裂韧性应高于233j，且低于296j，保守起见一般取296j，因此该全尺寸试验无法精确估计钢管的止裂韧性，而过高的制定止裂韧性指标则会造成钢管制造成本的升高。利用本发明可以精确计算该工况下的止裂韧性预测值为247.4j，降低钢管所需韧性指标，节约钢管的制造成本，经济效益较好。